TítuloGenes supresores en el desarrollo del cáncer

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(1)Genes supresores en el desarrollo del cáncer Miguel A. Peinado · Institut de Recerca Oncologica. Hospital Duran i Reynals. Autovía.Castelldefels km 2,7. L'Hospitalet, 08907 Barcelona.. l. El cáncer El cáncer se caracteriza por una elevada proliferación celular, la invasión de tejidos adyacentes y vasos sanguíneos, la capacidad para migrar a órganos distantes (pérdida de adherencia) y crecer allí (proceso metastásico ), la apariencia atípica de las células y la alta frecuencia de mitosis. Estas características vienen dadas por alteraciones permanentes en una gran diversidad de genes que controlan la proliferación, la forma y la función de la célula. La progresión del tumor hacia estadíos más malignos es un proceso de selección, en el que las células compiten por la dominancia y, por tanto, aquellas que presentan unas características más malignas son las que acabarán por predominar. Ello hace que la mayoría de los cánceres sean enfermedades irreversibles, solamente curables mediante la eliminación física de las células transformadas. 2. Progresión tumoral: origen clonal de los tumores y acumulación de alteraciones Diversos estudios han podido demostrar el origen clona} de los tumores, es decir, que todas las células que componen el tumor proceden de una única.

(2) 152. Genética Molecular. Josefina Méndez. célula madre en la que se produjo el cambio iniciador (teoría clona! de Nowell). En principio, la progresión tumoral es solo posible mediante la desregulación de múltiples genes, lo que requiere múltiples mutaciones. La célula neoplásica, dada su inestabilidad genética intrínseca, permite el desarrollo de subclones heterogéneos. Estos subclones se seleccionan a lo largo de la progresión tumoral, en función de su capacidad proliferativa y/o su mejor adaptación al microambiente en el que se hallan. Esta inestabilidad genética se refleja en forma de múltiples cambios genéticos (contenido anormal de ADN o aneuploidía, deleciones, translocaciones, amplificaciones y mutaciones puntuales) de los cuales, en muchos casos, no conocemos su origen ni sus interrelaciones, pero es un hecho que se van acumulando a lo largo de la evolución del tumor. 3. Causas del cáncer. Factores genéticos Se han descrito numerosos factores físicos, químicos y biológicos (virus) que inducen cáncer en animales y humanos. Estos factores pueden provocar cambios genéticos (mutaciones) que desencadenan los mecanismos que permiten la iniciación y la progresión de los tumores, aunque el conocimiento de estos fenómenos es todavía muy limitado. Las primeras evidencias de la existencia de alteraciones genéticas en el cáncer vienen dadas por los estudios de cariotipo, demostrándose que la mayoría de células tumorales se caracterizan por poseer dotaciones cromosómicas anormales, tanto en lo que se refiere al número como a la disposición del material genético en los mismos (translocaciones, deleciones, amplificaciones, etc.). La predisposición hereditaria a padecer uno o varios tipos de cáncer es bien conocida. El grado de predisposición puede variar desde familias que presentan una incidencia de cáncer ligeramente mayor a la de la población en general, hasta casos en los que la certeza de desarrollar un tipo específico de tumor es casi absoluta. La predisposición generalizada suele ser consecuencia de enfermedades genéticas que incrementan la tasa de mutación en el genoma y, consiguientemente, la frecuencia de mutaciones en genes relevantes para el proceso tumoral. La predisposición a ciertos tipos concretos de cáncer se suele relacionar con la herencia de un gen mutado e implicado en la proliferación celular. En este caso, se cree que se requiere la mutación de la segunda copia del gen (alelo) para el desarrollo del cáncer. Las alteraciones genéticas identificadas y claramente asociadas al proceso de malignización conllevan la activación o la inactivación de la función de determinados genes a los que se denomina globalmente oncogenes. En el.

(3) Genes supresores del cáncer. Miguel A. Peinado. 153. caso de los oncogenes clásicos se observa un aumento en la función de las proteínas codificadas por estos, lo que resulta en un incremento del potencial proliferativo de las células portadoras de esta alteración. Un segundo tipo de oncogenes llamados comúnmente genes supresores de tumores se suelen encontrar inactivados en las células cancerosas, produciéndose una pérdida de regulación negativa de la proliferación, que es su función normal. Las alteraciones pueden ser pequeños cambios que modifican la composición peptídica y la función de la proteína codificada por el gen afectado (por ejemplo: substitución, deleción o inserción de un sólo nucleótido), o alteraciones mayores que afectan regiones más o menos extensas de un cromosoma (inserción, deleción, translocación, amplificación) y que condicionan la expresión y/o estructura de uno o varios genes. En algunos casos, ciertos virus son portadores de genes que inducen neoplasia (a veces han incorporado en su genoma un oncogén activado proveniente de una célula transformada, mientras que en otras ocasiones el virus dispone de proteínas propias capaces de inactivar uno o varios genes supresores de tumores), por lo que una infección por los mismos puede producir efectos similares a la alteración de genes celulares.. 4. Tipos de oncogenes Hasta la fecha se han descrito alrededor de 100 genes que pueden estar implicados en el proceso tumoral. Existen múltiples clasificaciones dependiendo de la función normal del gen, del mecanismo de activación 1 inactivación o de la forma en que se identificaron. De acuerdo con el papel que juegan en el proceso tumoral, se puede hablar de tres tipos básicos: 4.1. Genes de proliferación y crecimiento Son los oncogenes clásicos. La mayoría son factores de transcripción o transductores de señal. Su activación supone, en general, una ganancia de función y se suele producir mediante mutación puntual, amplificación o translocación. Ejemplos: TGF-b (factor de crecimiento), neu (receptor de factor de crecimiento), ras (transducción de señal), fos (factor de transcripción). 4.2. Genes supresores de tumores Inhiben el crecimiento y la proliferación en su forma normal. Durante el proceso tumoral se suelen inactivar por mutación puntual o deleción y, en general, se requiere la inactivación de los dos alelos (son recesivos). Muchos casos de predisposición hereditaria suelen estar ligados a este tipo de genes. Ejemplos: RB y p53 (factores de transcripción)..

(4) 154 Genética Molecular. Josefina Méndez. 4.3. Genes de muerte celular programada La proteína codificada por estos genes está implicada en la inducción o el rescate de la célula de la muerte programada o apoptosis, que es un mecanismo de "suicidio" de la célula frente a determinadas situaciones críticas externas o internas, incluyendo las condiciones en las que se encuentran la mayoría de células neoplásicas. Ejemplo: BCL2 (proteína de membrana mitocondrial). 4.4. Genes implicados en la reparación y replicación del ADN Deficiencias en la fidelidad de replicación o reparación del ADN producen altas tasas de mutación, lo que, eventualmente, puede dar lugar a la transformación maligna de la célula. Ejemplo: MSH2 (enzima de reparación de apareamientos erróneos). Cada tipo de cáncer suele presentar alteraciones en unos genes específicos. En la actualidad se considera que el gen supresor de tumores p53 es el más universal, estando inactivado en aproximadamente un 50% de los tumores humanos, aunque la incidencia es muy distinta de un tipo de cáncer a otro (frecuente en tumores de colon y mama; rara en cerebro y algunos tipos de leucemia). 5. Genes supresores de tumores Hace 20 años, diferentes experimentos en los que se fusionaron células normales con células tumorales demostraron que se revertían las características malignas en las células híbridas. Cuando algunos de los cromosomas aportados por la célula normal se perdían en el híbrido, reaparecía el fenotipo maligno. Todo ello infería la existencia de genes celulares capaces de suprimir el fenotipo transformado de las células cancerosas y que, por tanto, la pérdida o deficiencias de la función de determinados genes se asociaría a la transformación tumoral. En analogía a los conceptos de la teoría mendeliana de la herencia, esto significa que el fenotipo maligno es recesivo con respecto al normal. Estudios de citogenética y de polimorfismos mediante análisis de fragmentos de restricción del ADN confirmaron la naturaleza de estos cambios genéticos en las células tumorales. La terminología aplicada a estos genes incluye denominaciones como genes supresores de tumores, oncogenes recesivos, anti-oncogenes o genes supresores del crecimiento. A pesar de estas evidencias que indicaban la existencia de genes supresores de tumores, sólo en los últimos años y gracias a las técnicas de biología molecular, ha sido posible aislar algunos de estos genes. Ello permite no sólo adentramos en el conocimiento de los mecanismos básicos del cáncer, sino que también facilita el diagnóstico y abre nuevas expectativas para el tratamiento de esta enfermedad..

(5) Miguel A. Peinado. Genes supresores del cáncer. 155. Numerosos estudios de los últimos cinco años indican que la mayoría de tumores humanos son consecuencia de mutaciones que conllevan una pérdida de función y que por tanto afectan a genes supresores de tumores. Sin embargo, no parece que la función esencial de los productos de estos genes sea la supresión de la malignidad, sino que estaría relacionada con funciones normales de la célula y dentro de ello participarían en la regulación de diversos fenómenos y actividades celulares, incluyendo proliferación y crecimiento. En la Tabla I se listan algunos de los genes supresores conocidos, aunque existen claras evidencias que indican la existencia de otros genes en varios loci. TABLA 1 Gen. Función. Cromosoma. Cáncer. P53. Factor de transcripción. 17pl3.1. Mama, colorrectal, gástrico, pulmón. ..........................................................................................................~~!~~~!!!.~:..~.':'.~.~!~:..~.~.~.~~~~~:.~~.~.......... .. NFl. Proteína activadora. 17qll.2. Neurofibromatosis. de GTPasas. .:Y.!.!.................. ~~~.~~.~.~.~.~.~~~~.~~~P.~!~~.................~.~P..~.~............................!.~.~?.~.~.~..:Y.!.'.~~....................... .. APC. Adhesión celular. Sq21. Poliposis cólica familiar,. ...................................................................................................................~~.~.?.~~~.~~.~.'..~.~P.~.~~?.~~?. ................... . ~~5:......................................................................... ?.9~.~.................................. ~~!~~~~!~!............................ .. !?.~~ ...................~.?.?.~~.i.?.~.!~!~~~.~.'.~.~~~..............~~9~.!.~~!~~............................. ~~!~~~~!~!............................. . ~~~.~.!..............~~~.~?.~.~~.~.~~~~.~.~!P.~!~~...................~29....................................... !!!.~!!!.~................................ .. ~~~.~? .............~~~.~?.~.~~.~.~~~~.~.~!P.~!~~...................~~9....................................... ~.~!!!.~................................ .. RB. Factor de transcripción. 13ql4.2. Retinoblastoma, pulmón, mama, sarcoma. Algunos de estos genes se asocian de forma preferente con cánceres hereditarios, como es el caso de WTl, NFl, BRCA 1 y BRCA2. Otros están implicados tanto en casos familiares como esporádicos. Así por ejemplo, P53 se asocia al síndrome de cáncer hereditario múltiple de Li-Fraumeni y está frecuentemente alterada en tumores esporádicos de varios tipos, mientras que la inactivación de la proteína del gen APC mediante mutaciones puntuales o deleciones se observa tanto en la poliposis cólica familiar como en el cáncer colorrectal esporádico. 6. Genes supresores y cáncer colorrectal Ante el gran número de genes implicados y la gran variedad que hay entre unos tumores y otros, se describe con mayor detalle y a modo de ejem-.

(6) 156 Genética Molecular. Josefina Méndez. plo el modelo de progresión en el cáncer colorrectal. La mayoría de tumores colorrectales progresa a través de una serie de estadíos clínicos claramente reconocibles. Además, este tipo de tumor presenta una elevada incidencia y por su facilidad de acceso y tamaño ofrece ventajas en su estudio con respecto a otros tumores, lo que ha permitido que el avance en el conocimiento de los procesos genéticos que gobiernan la transformación en el cáncer colorrectal sean de los que mejor se conocen. Basándose en múltiples estudios, en 1989 se propuso un modelo molecular de progresión en el cáncer colorrectal. Según este modelo, se requiere la acumulación de entre 4 y 6 alteraciones genéticas, y que incluirían a un oncogén (gen e-K-ras) y varios genes supresores tumorales (APC Adenomatous Polyposis Coli, MCC Mutated in Colon Cancer, DCC Deleted in Colon Cancer y P53). La tumorigénesis suele ir precedida de una gran hiperproliferación celular localizada. Una o varias de estas células inicia el proceso de neoplasia (expansión clonal) formando un pequeño adenoma tubular o pólipo. Este adenoma crece en tamaño y adquiere una morfología de tipo velloso (forma de dedo). Dentro de los adenomas se distinguen diferentes fases, relacionadas fundamentalmente con el tamaño de este. Aunque el proceso es continuo, cada una de estas fases se puede relacionar con determinadas alteraciones genéticas, tal como se aprecia el siguiente esquema: Epitelio normal. .U.APC Epitelio hiperproliferati vo. .U.MCC Adenoma clase 1 (diámetro< 1 cm) .U. K-ras. Adenoma clase 11 (diámetro 1-10 cm). .U.DCC Adenoma clase III (diámetro > 10 cm) .U.P53 Carcinoma .U. Otras Metástasis. El adenoma es un tumor benigno, pero presenta una gran heterogeneidad celular, por lo que aquellas células que tengan mejores posibilidades proliferativas se irán seleccionando y dominarán sobre sus células hermanas de ere-.

(7) Genes supresores del cáncer. Miguel A. Peinado. 157. cimiento más lento. Cuando una de estas células adquiere la capacidad de invadir a través de la membrana basal (traspasa la mucosa de la pared intestinal hacia las capas de tejido muscular) deviene el carcinoma, que es un tumor invasivo y, por tanto, maligno. El grado de invasión (A, B, C, D) que ha alcanzado un carcinoma es el principal parámetro utilizado para su clasificación. De forma muy resumida podemos decir que los de grado A son superficiales, grado B han llegado a la capa de tejido muscular, grado C han invadido nódulos linfáticos y grado D han producido metástasis a distancia, en el hígado preferentemente. El carcinoma puede progresar adquiriendo la capacidad para invadir otros tejidos en la misma región (los nódulos linfáticos) o lejanos (hígado, fundamentalmente). Las masas de tejido tumoral que se han extendido a otros tejidos diferentes y distantes se conocen con el nombre de metástasis. Todo este proceso puede durar décadas. El oncogén e-K-ras se activa mediante mutaciones puntuales (substitución de un nucleótido por otro que cambia el código genético y, por tanto, la secuencia de aminoácidos que compone la proteína). En el resto de genes (todos estos entran en la categoría de genes supresores de tumores), la inactivación se produce mediante el mismo mecanismo que para el oncogén e-K-ras (mutación puntual) o bien, por deleción de un fragmento del cromosoma que incluye estos genes. Aunque las alteraciones genéticas mencionadas ocurren preferentemente en las fases indicadas, existen evidencias de que es más importante la acumulación de dichas alteraciones que el orden. Es decir, los tumores en estadíos más avanzados presentan más alteraciones que los tempranos, menos invasivos. Todavía no se conocen bien los mecanismos de acción de las proteínas codificadas por estos genes; pero se sabe que alteraciones en algunos de estos genes son buenos indicadores de mal pronóstico. Es decir, la presencia de una o varias de estas alteraciones en el tumor implica una menor probabilidad de curación para el paciente con respecto a aquellos casos que no la presentan, considerando que el resto de parámetros sean similares. Más recientemente (en 1993), se ha descrito una segunda vía de progresión tumoral para el cáncer colorrectal y otros. Esta vía se caracteriza porque una de las primeras alteraciones genéticas que ocurre es la pérdida de la función normal de un enzima de reparación del material genético (el ADN). Ello conduce a una acumulación de decenas o cientos de miles de mutaciones en las células deficientes, por lo que múltiples genes se pueden ver afectados. Curiosamente, en estos tumores, los genes citados anteriormente en el modelo no parecen estar implicados de forma habitual. En estos cánceres, la inestabilidad genética juega un papel decisivo en la biología del tumor, que se manifiesta en un comportamiento clínico particular (son menos invasivos que el resto). Un porcentaje importante de los tumores de este tipo se producen.

(8) 158. Genética Molecular. Josefina Méndez. en individuos con predisposición hereditaria, debido a que han heredado una forma no funcional de alguno de los genes que codifican para enzimas de reparación del ADN. 7. Estudio molecular del cáncer Aunque la biología molecular se ha aplicado al estudio del cáncer desde sus inicios, no fue hasta finales de los años 80 cuando se produjo una auténtica revolución en el estudio de los oncogenes. Ello fue posible gracias a la utilización de la reacción en cadena de la polimerasa, conocida generalmente como PCR (Polymerase Chain Reaction). Esta técnica permite aumentar, en un orden de millones de veces, el número de copias de un fragmento de material genético (esto incluye ADN y ARN mensajero). Una vez se amplifica por PCR este fragmento (que puede corresponder a un oncogén) se puede acceder fácilmente a la información en él contenida. Por lo que la detección de pequeños cambios es posible en un gran número de muestras (por ejemplo, es posible detectar un cambio que afecta a un solo nucleótido a partir de una muestra que contiene una secuencia de 3.000.000.000. Otros métodos, como el fingerprinting de ADN mediante la amplificación de secuencias arbitrarias por la reacción en cadena de la polimerasa (Arbitrarily Primed Polymerase Chain Reaction o AP-PCR) posibilitan la detección, en un solo experimento, de múltiples cambios acaecidos en el genoma de la célula tumoral, por lo que presentan un gran potencial en el estudio molecular del cáncer. Con esta técnica se obtiene una "huella" que resulta de la composición y disposición del material genético, por lo que es característica de cada individuo y también del genoma de la célula tumoral. Estas técnicas solo son un pequeño ejemplo de la infinidad de metodologías empleadas para estudiar la genética del cáncer. Para llegar a resultados concluyentes, en general se requiere la utilización de varias técnicas complementarias, que incluyen estudios genéticos, bioquímicos, morfológicos y biológicos, tanto in vitro como in vivo.. 8. Utilidad de los estudios genéticos en el cáncer La detección precoz, la cirugía y la utilización de la radioterapia y la quimioterapia han mejorado considerablemente el índice de curación de numerosos tipos de cáncer. Sin embargo, todavía existe una alta proporción de tumores que provocan la muerte del paciente. Aunque últimamente se han realizado esperanzadores avances, la gran cantidad y variedad de factores implicados en el cáncer hacen difícil mejorar a corto plazo el índice de curación de la mayoría de tumores..

(9) Genes supresores del cáncer. Miguel A. Peinado. 159. Recientes progresos en el conocimiento de la biología molecular del cáncer, nos permiten la identificación inequívoca de algunos casos en los que existe un componente hereditario importante, con lo cual es posible determinar la predisposición a padecer cáncer en diferentes miembros de la misma familia. Ello implica la posibilidad de incrementar las exploraciones que permitan el diagnóstico precoz en aquellos casos con altas probabilidades de padecer cáncer y reducirlas cuando el riesgo sea mínimo. Diversos grupos trabajan en el desarrollo de técnicas que permitan reemplazar el gen defectivo en los individuos afectados, lo que evitaría la aparición de los tumores o, en el peor de los casos, la probabilidad de desarrollarlo. El conocimiento de las alteraciones moleculares implicadas en la iniciación y progresión tumoral debe contribuir a comprender la biología de la célula tumoral. Ello facilitará el diagnóstico y mejorará la clasificación de los tumores, por lo que la utilización de nuevos marcadores de pronóstico permitirá una mayor confidencia en la aplicación de tratamientos coadyuvantes. Además, será posible diseñar nuevas estrategias terapéuticas más específicas, más eficaces y menos agresivas, ya que estarán únicamente dirigidas hacia aquellas funciones de la célula que son relevantes en el comportamiento biológico de cada tipo de cáncer.. 9. Bibliografía l.. Buja LM, Eigenbrodt ML, Eigenbrodt EH (1993). Apoptosis and necrosis - basic types and mechanisms of cell death. Arch. Pathol. Lab. Med. 117:1208-1214.. 2.. Brown DG, Sun XM, Cohen GM (1993). Dexamethasone-induced apoptosis involves cleavage of DNA to large fragments prior to internucleosomal fragmentation. J. Biol. Chem. 268:3037-3039. Oberhammer F, Wilson JW, Dive T et al. (1993) Apoptotic death in epithelial cells: cleavage of DNA to 300 and/or 50 kb fragments prior to or in the absence of internucleosomal fragmentation. EMBO J. 12:3679-3684. Wyllie AH (1980). Glucocorticoid-induced thymocyte apoptosis is associated with endogenous endonuclease activaction. Nature 284:555-556.. 3.. 4. 5.. Arends MJ, Morris RG, Wyllie AH (1990) Apoptosis. The role of the endonuclease. Am. J. Pathol. 136:593-608.. 6.. Stewart BW (1994) Mechanisms of apoptosis: integration of genetic, biochemical and cellular functions. J. Natl Cancer Inst. 86:1286-1296..

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